Missioner till asteroider har varit i sönder den senaste tiden. Besök av Rosetta, Osirix-REX och Hayabusa2 har alla besökt små kroppar och, i vissa fall, framgångsrikt returnerat prover till jorden. Men när mänskligheten börjar nå ut till asteroider kommer den att stöta på ett betydande tekniskt problem – bandbredd.
Det finns tiotusentals asteroider i vår närhet, av vilka några potentiellt kan vara farliga. Om vi lanserade ett uppdrag för att samla in nödvändig data om var och en av dem, skulle vår interplanetära kommunikations- och kontrollinfrastruktur snabbt bli överväldigad. Så varför inte låta våra robotambassadörer göra det för sig själva – det är tanken bakom en ny artikel publicerad i Journal of Guidance, Control, and Dynamics och tillgänglig på arXiv preprint-server från forskare vid Federal University of São Paulo och Brasiliens nationella institut för rymdforskning.
Uppsatsen fokuserar i första hand på kontrollproblemet vad man ska göra när en rymdfarkost närmar sig en ny asteroid. Aktuella uppdrag tar månader att närma sig och kräver konsekvent feedback från markteam för att säkerställa att rymdfarkosten förstår parametrarna för asteroiden som den närmar sig – särskilt gravitationskonstanten.
Vissa uppdrag har haft större framgång med det än andra – till exempel Philase, landaren som följde med Rosetta, hade problem när den studsade från ytan på kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko. Som författarna påpekade var en del av den skillnaden en enorm skillnad mellan kometens faktiska form och den observerade form som teleskop hade sett innan Rosetta kom dit.
Ännu mer framgångsrika uppdrag, som OSIRIS-Rex, tar månader av uppstartstid för att genomföra relativt triviala manövrar inom ramen för miljontals kilometer som deras totala resa tar dem. Till exempel tog det 20 dagar för OSIRIX-Rex att utföra flera förbiflygningar på 7 km ovanför asteroidens yta innan dess uppdragskontroll ansåg det säkert att gå in i en stabil omloppsbana.
En av de betydande begränsningarna som uppdragskontrollanterna tittade på var om de exakt kunde beräkna gravitationskonstanten för asteroiden de besökte. Tyngdkraften är notoriskt svår att avgöra på långt håll, och dess felberäkning ledde till problemen med Philae. Så, kan ett kontrollschema göra för att lösa alla dessa problem?
Enkelt uttryckt kan det tillåta rymdfarkosten att bestämma vad de ska göra när de närmar sig sitt mål. Med ett väldefinierat kontrollschema är sannolikheten för ett rymdfarkosthaveri på grund av någon oförutsedd konsekvens relativt minimal. Det kan dramatiskt minska tiden som uppdragen lägger på inflygning och begränsa kommunikationsbandbredden tillbaka mot uppdragskontroll på jorden.
Ett sådant schema skulle också kräva endast fyra relativt allmänt förekommande, billiga sensorer för att fungera effektivt – en LiDAR (liknande de som finns på autonoma bilar), två optiska kameror för djupuppfattning och en tröghetsmätenhet (IMU) som mäter parametrar som orientering, acceleration och magnetfält.
Tidningen ägnar mycket tid åt att detaljera den komplexa matematiken som skulle gå in i kontrollschemat - av vilka en del involverar statistiska beräkningar som liknar grundläggande inlärningsmodeller. Författarna kör också försök på två potentiella asteroidmål av intresse för att se hur systemet skulle fungera.
Man är redan väl förstådd. Bennu var målet för OSIRIX-Rex-uppdraget och är därför välkarakteriserad som asteroider. Enligt tidningen skulle en rymdfarkost med det nya kontrollsystemet kunna gå in i en bana på 2 000 m inom en dag efter att ha närmat sig från hundratals kilometers avstånd, och sedan gå in i en 800 m bana nästa dag. Detta jämförs med månaderna av förberedande arbete som det faktiska OSIRIS-Rex-uppdraget behövde utföra. Och det kan slutföras med minimal dragkraft och, ännu viktigare, bränsle – en värdefull vara på djupa rymduppdrag.
Ett annat demonstrationsuppdrag är ett till Eros, den näst största asteroiden nära jorden. Den har en unik form för en asteroid, eftersom den är relativt långsträckt, vilket kan utgöra en spännande utmaning för automatiserade system som de som beskrivs i tidningen. Att kontrollera en rymdfarkost med det nya schemat för ett möte med Eros har inte samma fördelar som en mer traditionell asteroid som Bennu. Den har till exempel ett mycket högre dragkraftskrav och bränsleförbrukning. Men det förkortar fortfarande uppdragstiden och bandbredden som krävs för att driva den.
Autonoma system blir allt mer populära på jorden och i rymden. Tidningar som detta driver tanken på vad som är möjligt framåt. Anta att allt som krävs för att eliminera månader av mödosamt manuellt tekniskt arbete är att slå några sensorer och implementera en ny kontrollalgoritm. I så fall är det troligt att en av de olika byråerna och företagen som planerar att träffas med en asteroid inom kort kommer att anta den planen.
Mer information: R. B. Negri et al, Autonomous Rapid Exploration in Close-Proximity of Asteroids, Journal of Guidance, Control, and Dynamics (2024). DOI:10.2514/1.G007186. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2208.03378
Journalinformation: arXiv
Tillhandahålls av Universe Today
